Doherty功放工作原理

Doherty功放

1．Doherty应用的背景

为了提高通讯系统的频谱利用率，为用户提供快速的数据传输和多媒体数据业务以及全球漫游功能，现在的通讯系统采用宽带的数字调制技术，如BPSK、QPSK和QAM等，WCDMA、TDSCDMA和CDMA2000均为非恒包络信号，其峰均比都较高，这就意味着发射通道要使用高线性放大器，为了满足大动态内的线性指标，系统通常使用大回退的AB类功放，功放的效率极低，又不能满足供应商的节能要求，为了解决这个矛盾，只能借助高效率功放和线性化技术的有效配合。目前的线性化技术有前馈技术、模拟预失真和数字预失真，前几年前馈技术和模拟预失真技术被广泛应用于商用机中，随着技术的发展和精力的投入，数字预失真技术近一两年内也陆续成熟并得以应用，这样就有待于高效率功放的出现。提高效率的方法有小回退AB类功放、Doherty 技术、Cherix技术、EER（envelope elimination and restoration）和动态包络跟踪等技术。其中，小回退AB类功放虽然实现容易，便于生产，但其提高效率的能力有限，不足以满足要求；Cherix技术需要信号幅度和相位在宽频带内的精确转换，技术难度很大；EER（envelope elimination and restoration）和动态包络跟踪需要宽带和高反应速度的电源转换器，目前的器件不能达到要求；而Doherty技术不需要高性能的器件，只是通过匹配电路和Auxiliary Amplifier的配合实现有源调制即可，鉴于Doherty功放结构简单的优点，其研究比较广泛，也陆续付诸使用，并在原由构架至上有所演变，以克服其自身缺点，谋求性能改善。不过动态包络跟踪技术同时实现了高线性和高效率，并且结构相对简单，就个人观点其将是继Doherty技术后的发展趋势。

2．Doherty功放的原理

Doherty技术是由W.H.Doherty于1936年发明的，最初应用于行波管，为广播提供大功率发射机，其架构简单易行，效率高，曾一度广泛应用。

Doherty的原理框图如下

Doherty 功放分两路，一路是Main Amplifier，或者称为Carrier Amplifier，处于AB 类状态，另一路是Auxiliary Amplifier，或者称为Peak Amplifier，一般为B 类或者C 类状态，输入端为Willkinson 二等功分器，Auxiliary Amplifier 一路输入端有1/4波长线，用以平衡两路的相位；而Main Amplifier 一路的输出端也有1/4波长线，作用除了与Auxiliary Amplifier 输入端1/4波长线相呼应外，也是实现不同信号强度时负载变换，达成负载调制的关键部件。

由1/4波长阻抗变换器的转移矩阵[A]和基尔霍夫定理可以得到以下公式： 000

10p m p m p V jZ V V j I jI Z R ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥−⎢⎥+⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦

0p m V jZ I =

00(

)m m p Z V Z I I R =− 02m m p

Z Z I I =+ (其他书籍上的推导是不妥当的)

从上面公式可以得出这样的结论：负载上的电压只与Main Amplifier 电流有关，当然线性指标也主要由Main Amplifier 决定；另外Main Amplifier 的输出电压是由Auxiliary Amplifier 电流牵制的。

图1 Doherty 功放的基本框图

Auxiliary Amplifie 工作在C 类，其漏电流与输入电平之间的关系用最简单的线性模型近似，如图

3 所示

Auxiliary Amplifier

的漏电流可以用下面的数学模型表征

0()p sat p m sat p sat

I i I I i I i γ<=−> 对于本文提到的经典电路，2γ=。

20opt 2000opt 22()m p sat m m sat p sat

Z I I i R V Z Z I Z i I i R γγ<=

−−> 为了使得Auxiliary Amplifier 能够控制住Main Amplifier 电压值，大功率时保持预饱和状态，需要

图3 输出电流的线性近似 图2 Doherty 功放的等效电路

0opt Z R R γ==

Doherty 功放工作的三个阶段

就本质而言，Doherty 技术就是有源负载调制技术，也就是说，Main Amplifier 的负载随着信号强度的变化而变化。那么有必要分不同阶段分别阐述功放的状态，以及各阶段功放状态的转变。从输入信号强度划分，Doherty 功放的工作区域大致为三个阶段：小信号阶段、中等信号阶段和大信号阶段。

1）小信号阶段

在小信号阶段，由于Auxiliary Amplifie 工作在于B 类或者C 类，信号强度不足以使得其工作，因此其截止，0p I =，呈现开路状态，因此

20opt

2m m Z V I R = Main Amplifier 等效负载为

20opt opt

22l Z Z R R ==

由于1/4波长变换线将负载变为2Rpot，负载电压升高，致使Main Amplifier 提前进入预饱和状态，效率提高。

2）中等信号阶段

当信号逐渐增强时，Auxiliary Amplifier 开启，有源调制效应出现，Main Amplifier 的等效负载，由2Ropt 向Ropt 方向减小（并没有达到Ropt），而Main Amplifier 电压受到Auxiliary Amplifier 牵制保持预饱和状态（进入深度饱和线性会极差），Auxiliary Amplifier 的负载也由开路状态向Ropt